一種以NiFe合金為磁性層的各向異性磁電阻材料及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種各向異性磁電阻材料，具體涉及以NiFe合金為磁性層的各向異性磁電阻材料，屬于磁電阻材料技術領域。
【背景技術】
[0002]各向異性磁電阻(Anisotropic magnetoresistance，簡稱AMR)效應是指在居里溫度以下，電流與磁化強度相對取向改變而導致磁性金屬電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。基于AMR效應的傳感器具有極高的磁場靈敏度，目前已成為弱磁傳感與探測的關鍵器件。在眾多具有AMR效應的材料中，NiFe合金薄膜(其中Ni，F(xiàn)e的重量比為80+δ:20- δ，| δ<< 10)是目前應用最廣泛的一種，主要是因為該材料具有最佳的綜合性能:相對較大的AMR比率和優(yōu)良的軟磁性能(極低的矯頑力、磁致伸縮及磁晶各向異性)，非常適合制作高靈敏度的磁場傳感器。在實際應用中一般是以Ta作為緩沖層和保護層，即形成Ta/NiFe/Ta結構。但是，該材料仍然存在明顯不足:雖然NiFe優(yōu)良的軟磁性能使其具有極高的磁場靈敏度，但同時也帶來了穩(wěn)定性方面的問題。實際應用中都要求磁性層內部各處的磁化強度彼此平行且方向一致，但對于NiFe而言，一個幾十高斯的干擾磁場就足以破壞這種磁結構，使內部磁化強度方向變得雜亂無規(guī)，只有重置后才能恢復感應功能；另外AMR比率還有待進一步提高(NiFe薄膜的AMR比率大約為3% )。從應用的角度看，一般希望NiFe層厚度盡可能小，但厚度減小將導致AMR比率衰減，不利于器件靈敏度的提高。

【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明的目的是為了克服上述現(xiàn)有技術的不足，提出以一種NiFe合金為磁性層的各向異性磁電阻材料及其制備方法。
[0004]本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的。
[0005]本發(fā)明的一種以NiFe合金為磁性層的各向異性磁電阻材料，該材料包括:
[0006]—個襯底；
[0007]在所述襯底上形成的緩沖層；
[0008]在所述緩沖層上形成的第一釘扎穩(wěn)定層；
[0009]在所述第一釘扎穩(wěn)定層上形成的磁性層；
[0010]在所述磁性層上形成的第二釘扎穩(wěn)定層；
[0011]在所述第二釘扎穩(wěn)定層上形成的保護層；
[0012]其中，所述第一釘扎穩(wěn)定層、第二釘扎穩(wěn)定層用于增強磁性層磁結構的穩(wěn)定性，同時提高磁性層的各向異性磁電阻效應。
[0013]所述第一釘扎穩(wěn)定層、第二釘扎穩(wěn)定層的材料為N1，其中Ni，O的原子比為1:1。
[0014]所述第一釘扎穩(wěn)定層的厚度在5-50nm之間。
[0015]所述第二釘扎穩(wěn)定層的厚度在5-50nm之間。
[0016]所述磁性層的材料為NiFe合金，其中Ni，F(xiàn)e的重量比為80+δ:20_ δ，δ<< 10
[0017]所述磁性層的厚度在5_25nm之間。
[0018]所述襯底材料選自熱氧化的硅或玻璃的一種。
[0019]所述緩沖層的材料為Ta。
[0020]本發(fā)明的一種以NiFe合金為磁性層的各向異性磁電阻材料的制備方法，步驟為:
[0021]用磁控濺射法在熱氧化的硅襯底上依次沉積緩沖層、第一 N1釘扎穩(wěn)定層、磁性層、第二 N1釘扎穩(wěn)定層和保護層，其中所述第一 N1釘扎穩(wěn)定層、第二 N1釘扎穩(wěn)定層的厚度在5_50nm之間。
[0022]有益效果
[0023]本發(fā)明所設計的材料在常規(guī)的Ta/NiFe/Ta結構基礎上，在Ta和NiFe之間添加一定厚度的N1作為釘扎穩(wěn)定層。一方面，N1為反鐵磁材料，反鐵磁材料與磁性層彼此接觸時，會在界面上產生交換相互作用，此交換相互作用可以將磁性層磁矩穩(wěn)定地釘扎在一個特定的方向上，本發(fā)明利用N1/NiFe交換相互作用對NiFe的釘扎增強NiFe磁結構的穩(wěn)定性，從而不容易被干擾磁場破壞；另一方面，對于AMR薄膜材料而言，傳導電子在界面處的鏡面反射有利于提高AMR比率，而依次生長的氧化物/金屬可以形成較為平整的界面，增強對傳導電子的鏡面反射，本發(fā)明利用N1/NiFe界面對傳導電子的鏡面反射提高AMR比率。需要指出的是，本發(fā)明還包含了以下考慮:反鐵磁材料與磁性層交換相互作用雖可以加強磁性層磁結構的穩(wěn)定性，但同時也提高了矯頑力，降低了磁場靈敏度，不過由此損失掉的靈敏度將通過AMR比率的提高得以補償。本發(fā)明所設計的材料可用于磁場傳感器系統(tǒng)。
【附圖說明】
[0024]圖1是本發(fā)明的各向異性磁電阻材料結構示意圖。
【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0026]實施例
[0027]如圖1所示的各向異性磁電阻材料依次包括熱氧化的硅或者玻璃襯底1、Ta緩沖層2、第一 N1釘扎穩(wěn)定層3、NiFe磁性層4、第二 N1釘扎穩(wěn)定層5和Ta保護層6。
[0028]各向異性磁電阻材料制備方法為:用磁控濺射技術在熱氧化的單晶硅或者玻璃襯底上依次沉積Ta、N1, NiFe, N1和Ta，以上各層分別對應于前述的Ta緩沖層2、第一 N1釘扎穩(wěn)定層3、NiFe磁性層4、第二 N1釘扎穩(wěn)定層5和Ta保護層6。
[0029]步驟SI，用電子清洗液和去離子水超聲清洗熱氧化的單晶硅或者玻璃襯底，然后烘干備用。
[0030]步驟S2，將洗好的單晶硅或玻璃襯底裝在磁控濺射儀腔室內的襯底座上，襯底座用循環(huán)水冷卻，平行于襯底平面方向加有300Gs的磁場。將磁控濺射儀腔室的本底氣壓抽至8X 10 5Pa以下。
[0031]步驟S3，向濺射儀腔室內通入純度高于99.999%的的氬(Ar)氣作為工作氣體，將腔室內氣壓保持在0.5Pa。以純度高于99.95%的Ta靶作為濺射源，以直流磁控濺射方式在襯底I上沉積Ta緩沖層2，厚度為4nm，沉積速率控制在0.lnm/s?
[0032]步驟S4，將腔室內氣壓繼續(xù)保持在0.5Pa，以純度高于99.9%的N1靶作為濺射源，以射頻磁控濺射方式在Ta緩沖層2上沉積第一 N1釘扎穩(wěn)定層3，厚度為30nm，沉積速率控制在0.2nm/s。
[0033]步驟S5，將腔室內氣壓繼續(xù)保持在0.5Pa，以純度高于99.95%的Ni81Fe19作為濺射源，以直流磁控濺射方式在第一 N1釘扎穩(wěn)定層3上沉積磁性層4，厚度為10nm，沉積速率控制在0.lnm/so
[0034]步驟S6，將腔室內氣壓繼續(xù)保持在0.5Pa，以純度高于99.9%的N1靶作為濺射源，以射頻磁控濺射方式在磁性層4上沉積第二 N1釘扎穩(wěn)定層5，厚度為30nm，沉積速率控制在0.2nm/s。
[0035]步驟S7，將腔室內氣壓繼續(xù)保持在0.5Pa，以純度高于99.95%的Ta靶作為濺射源，以直流磁控濺射方式在襯底上沉積Ta保護層6，厚度為3nm，沉積速率控制在0.lnm/s?
[0036]效果如下:
[0037]I，由于N1對NiFe磁性層的釘扎作用，在遭遇干擾磁場以后，NiFe內部各處的磁化強度將自發(fā)恢復到平行排列的狀態(tài)。如果將該材料用于傳感器，可以避免經(jīng)常性的重置操作。
[0038]2，相對常規(guī)的Ta/NiFe/Ta而言，該材料的AMR比率將有顯著提高。
[0039]3，相對常規(guī)的Ta/NiFe/Ta而言，該材料的矯頑力會有所增大，但由于AMR比率提高，可保證靈敏度至少不會降低。
【主權項】
1.一種以NiFe合金為磁性層的各向異性磁電阻材料，其特征在于:該材料包括:一個襯底；在所述襯底上形成的緩沖層；在所述緩沖層上形成的第一釘扎穩(wěn)定層；在所述第一釘扎穩(wěn)定層上形成的磁性層；在所述磁性層上形成的第二釘扎穩(wěn)定層；在所述第二釘扎穩(wěn)定層上形成的保護層。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種以NiFe合金為磁性層的各向異性磁電阻材料，其特征在于:襯底材料為熱氧化的硅或玻璃。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種以NiFe合金為磁性層的各向異性磁電阻材料，其特征在于:緩沖層的材料為Ta。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種以NiFe合金為磁性層的各向異性磁電阻材料，其特征在于:第一釘扎穩(wěn)定層的材料為N1，其中Ni，O的原子比為1:1。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種以NiFe合金為磁性層的各向異性磁電阻材料，其特征在于:磁性層的材料為NiFe合金。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種以NiFe合金為磁性層的各向異性磁電阻材料，其特征在于:第二釘扎穩(wěn)定層的材料為N1，其中Ni，O的原子比為1:1。
7.根據(jù)權利要求1所述的一種以NiFe合金為磁性層的各向異性磁電阻材料，其特征在于:保護層的材料為Ta。
8.根據(jù)權利要求1所述的一種以NiFe合金為磁性層的各向異性磁電阻材料，其特征在于:第一釘扎穩(wěn)定層的厚度為5-50nm，第二釘扎穩(wěn)定層的厚度為5_50nm，磁性層的厚度為5_25nm0
9.一種以NiFe合金為磁性層的各向異性磁電阻材料的制備方法，其特征在于步驟為: 用磁控濺射法在襯底上依次沉積緩沖層、第一釘扎穩(wěn)定層、磁性層、第一釘扎穩(wěn)定層和保護層。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種各向異性磁電阻材料，具體涉及以NiFe合金為磁性層的各向異性磁電阻材料，屬于磁電阻材料技術領域。本發(fā)明所設計的材料在常規(guī)的Ta/NiFe/Ta結構基礎上，在Ta和NiFe之間添加一定厚度的NiO作為釘扎穩(wěn)定層。一方面，NiO為反鐵磁材料，反鐵磁材料與磁性層彼此接觸時，會在界面上產生交換相互作用，此交換相互作用可以將磁性層磁矩穩(wěn)定地釘扎在一個特定的方向上，從而不容易被干擾磁場破壞；另一方面，對于AMR薄膜材料而言，傳導電子在界面處的鏡面反射有利于提高AMR比率，而依次生長的氧化物/金屬可以形成較為平整的界面，增強對傳導電子的鏡面反射。
【IPC分類】H01L43-12, H01L43-08
【公開號】CN104851975
【申請?zhí)枴緾N201510006626
【發(fā)明人】朱俊, 劉弈帆, 王延來, 徐湘田, 肖玲玲
【申請人】內蒙古大學
【公開日】2015年8月19日
【申請日】2015年1月7日